浙大高超團隊成功開發(fā)高密度高強度石墨烯微晶格液晶三維打印技術(shù)

來源：中國聚合物網(wǎng)

溶劑化石墨烯基材料是石墨烯宏觀組裝體制備領(lǐng)域的一個重要課題。利用氧化石墨烯（GO）水系分散液的液晶行為和膠體性質(zhì)，科學(xué)家們已發(fā)展出了一系列以GO為前驅(qū)體制備石墨烯纖維，膜，氣凝膠等宏觀組裝體的路線。然而，這些路線在適配3D打印技術(shù)時，出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)對打印墨水有高粘度，高模量，快速剪切變稀等的嚴苛的流變要求，傳統(tǒng)的GO分散液難以達到。目前，已報道的文獻中主要以添加劑法和高濃度法兩種策略來實現(xiàn)GO前驅(qū)體的流變行為的改性。然而，這兩種方法都未能解決，在3D打印石墨烯前驅(qū)體墨水中，高濃度和均相不相容的矛盾，另外，所得到的石墨烯材料局限于多孔結(jié)構(gòu)，強度低，限制了3D打印石墨烯材料的實際應(yīng)用。設(shè)計一種高濃度且均相的石墨烯前驅(qū)體墨水，用來制備高密度，高強度，高功能化的石墨烯3D打印材料是一個亟待解決的問題。

研究亮點：

• 設(shè)計了高濃度均相的GO/甘油（Glycerol）分散液作為3D打印墨水，探索了氧化石墨烯濃度對于分散液流變行為的影響。
• 利用墨水直寫技術(shù)，制備石墨烯微晶格材料。得到的石墨烯微晶格材料表現(xiàn)出高密度，高強度，高可壓縮性和高導(dǎo)電性的特質(zhì)，具有良好的應(yīng)用前景。
• 跟蹤了高密度石墨烯微晶格材料壓縮形變的微觀結(jié)構(gòu)演化，闡明了多級結(jié)構(gòu)對高可壓縮性的貢獻。
  

浙江大學(xué)高超、許震團隊，利用甘油分子對GO片溶劑化的作用，設(shè)計了GO/甘油3D打印墨水。該墨水具有較高的GO固含量（~6wt%），且保持了GO液晶相，實現(xiàn)了GO高濃度的均相分散。利用該墨水制備的石墨烯微晶格材料表現(xiàn)出了高強度（~62.7MPa），高抗壓性（~90% 壓縮形變），高導(dǎo)電性能（x-y平面內(nèi)導(dǎo)電率2073 S m-1，z方向?qū)щ娐蕕250 S m-1）的特性，開拓了新型三維石墨烯框架材料的范疇，為石墨烯材料在儲能，復(fù)合材料，催化等領(lǐng)域的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

圖1：對比GO/甘油3D打印墨水和重分散GO水系分散液墨水的偏振光顯微鏡照片a）、d），墨水中GO片的顯微照片b）、e）及GO片投影面積的統(tǒng)計結(jié)果c）、f）。對比GO/甘油墨水和重分散GO水系分散液在不同濃度（5wt%，6wt%）下的粘度g），動態(tài)模量h）和屈服剪切應(yīng)力i）。

圖2：a）不同結(jié)構(gòu)的石墨烯微晶格樣品及圖案光學(xué)照片。3D打印柴垛結(jié)構(gòu)石墨烯微晶格外表面b），內(nèi)部截面c）及放大d)的電子顯微鏡照片。E）對比由GO/甘油墨水和重分散GO水分散液分別所得到的石墨烯框架材料的片層堆疊情況。

圖3：3D打印石墨烯微晶格機械性能。a）應(yīng)變幅度步進的加載循環(huán)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。b）本文中所制備的石墨烯微晶格壓縮性能及破壞強度與文獻中3D打印石墨烯材料的對比。c）石墨烯微晶格楊氏模量與密度的關(guān)系。

相關(guān)成果以“Liquid crystalline 3Dprinting for superstrong graphene microlattices with high density”為題發(fā)表在Carbon (Carbon 159 (2020)166-174)上，論文的第一作者為高超團隊的博士后王方。論文得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、浙江大學(xué)百人計劃等相關(guān)經(jīng)費的資助。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0008622319312746